VẶN TO ÂM THANH, NGÔI SAO QUAY NGƯỢC CHIỀU

Âm thanh có thể nâng vật lên. Giữa một chiếc loa kèn đang rung và một tấm phản xạ, một sóng dừng siêu âm mạnh tạo ra những vị trí nơi các vật nhỏ — giọt chất lỏng, màng mỏng, hạt — lơ lửng giữa không trung mà không chạm vào thứ gì. Kỹ thuật này đang được phát triển cho phân tích hóa học và dược phẩm, cũng như để lắp ráp các cấu trúc tí hon.

Nó có một tật cứng đầu: các vật lơ lửng thường tự bắt đầu quay. Đã có những lời giải thích cho từng trường hợp riêng, nhưng chưa có quy tắc chung nào cho biết khi nào một vật sẽ quay, theo chiều nào, hay nhanh đến đâu.

Những ngôi sao có cánh cong

Sue Shi, Scott Waitukaitis và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) đã chế tạo một thiết bị làm lơ lửng bằng âm hoạt động ở khoảng 51 kilohertz, với tấm phản xạ bằng sapphire gắn trên một khớp các-đăng (gimbal) chính xác để có thể căn chỉnh trường âm thật tinh tế. Họ in 3D những hạt huỳnh quang dày 200 micromét, mỗi hạt vừa trong một vòng tròn 1 milimét, và quay phim chúng từ bên dưới với tốc độ 3.000 khung hình mỗi giây.

Kết quả đầu tiên liên quan đến tính đối xứng. Trong một trường được căn chỉnh tốt, các hình tam giác, vuông, ngũ giác và ngôi sao có cánh thẳng — những hình trông giống hệt khi soi gương — không bao giờ quay. “Ngôi sao chiral”, với tất cả các cánh cong về cùng một phía, bắt đầu quay ngay khi lơ lửng, đạt tốc độ ổn định trong vòng vài trăm mili giây. Đường cong quyết định chiều quay; lật ngôi sao lại thì nó quay theo chiều kia. Cố ý nghiêng tấm phản xạ khiến ngay cả một hình vuông cũng quay: chuyển động quay tự phát cần sự phá vỡ đối xứng, ở vật thể hoặc ở trường âm.

Càng nhiều cánh, hành vi càng lạ

Trực giác mách bảo rằng nhiều cánh hơn sẽ hứng được nhiều âm hơn, và âm to hơn sẽ đẩy mạnh hơn. Các phép đo, trên ba bản sao gần như giống hệt nhau của mỗi ngôi sao, lại nói khác.

3 và 5 cánh: chúng quay ngày càng nhanh khi điện áp trên bộ biến năng tăng lên — và kéo theo đó là áp suất âm.
7 cánh: nhanh nhất ở khoảng 12–13 vôn, sau đó chậm lại.
10 cánh: nhanh nhất ở khoảng 7–8 vôn, sau đó chậm lại, dừng hẳn, rồi quay theo chiều kia.
12 cánh: cùng một trình tự, nhưng sớm hơn — đạt đỉnh ở 7 vôn, đảo chiều ở khoảng 10 vôn.

Những ngôi sao nhanh nhất đạt tới khoảng 50 vòng mỗi giây.

Công thức hai số hạng

Để giải thích điều này, nhóm nghiên cứu cân bằng một mô-men xoắn dẫn động — lực đẩy làm quay do âm thanh gây ra — với lực ma sát của không khí. Cả hai đều được viết dưới dạng những lũy thừa đơn giản của biên độ âm: lực xoắn gồm một số hạng chính cộng với một số hạng hiệu chỉnh tăng nhanh hơn, còn ma sát tăng theo biên độ. Ma sát không phải là phỏng đoán: nó được đo bằng cách quan sát xem mỗi ngôi sao ổn định trở lại nhanh đến đâu sau một bước nhảy điện áp đột ngột: trường âm đạt giá trị mới của nó chỉ trong khoảng mười mili giây, còn ngôi sao cần khoảng 183 mili giây để lấy lại tốc độ (ngôi sao 12 cánh khi chuyển từ 7 lên 8 vôn) — độ trễ ấy chỉ đến từ lực cản của không khí — và được tính toán ở biên độ bằng không từ hình dạng của ngôi sao. Như vậy chỉ còn lại hai con số tự do cho mỗi hình dạng, và đường cong thu được khớp với mọi ngôi sao, từ tăng tốc đều đặn cho đến đảo chiều hoàn toàn.

Các phép khớp kể một câu chuyện nhất quán. Nhiều cánh hơn tạo ra lực đẩy mạnh hơn ở âm lượng thấp, nên những ngôi sao nhiều cánh khởi đầu nhanh hơn. Nhưng chúng cũng mang theo một đóng góp ngược chiều ngày càng lớn, thắng thế ở âm lượng cao — và khi nó thắng, ngôi sao đảo chiều. Điện áp đảo chiều tuân theo một công thức đơn giản, V* = 1/√(−α), trong đó α mang dấu âm ngay khi số hạng hiệu chỉnh đi ngược lại lực đẩy: giá trị tuyệt đối của nó càng lớn thì sự đảo chiều càng đến sớm.

Một ngôi sao được thiết kế để đổi chiều

Phép thử thực sự là một dự đoán. Nhóm nghiên cứu thiết kế một ngôi sao lai: một nửa lấy từ ngôi sao 4 cánh cong theo chiều kim đồng hồ, nửa kia từ ngôi sao 10 cánh cong theo chiều ngược lại. Cộng các đường cong dự đoán của hai nửa cho ra một dự báo: ngược chiều kim đồng hồ ở âm lượng thấp, nơi nửa 10 cánh chiếm ưu thế; theo chiều kim đồng hồ ở âm lượng cao. Ngôi sao lai được in ra đã làm đúng như vậy — ngược chiều kim đồng hồ ở 7 vôn, đứng yên ở 9 vôn, theo chiều kim đồng hồ ở 11 vôn — đảo chiều đúng ở điện áp đã dự đoán.

Một lực chẳng ai đặt hàng

Mô hình mô tả lực đẩy ngược chiều nhưng không cho biết nó đến từ đâu. Các tác giả chỉ ra rằng nó không thể đến từ lý thuyết thông thường về lực âm học, trong đó mọi hiệu ứng đều tăng theo bình phương áp suất âm: khi ấy tất cả các đóng góp vẫn giữ nguyên tỉ lệ với nhau khi âm thanh to lên, và chiều quay không bao giờ có thể đảo được. Có một thứ gì đó bậc cao hơn đang tác động, và nó mạnh lên khi các cánh kề nhau xích lại gần — có lẽ là một sự liên kết giữa các cánh kề nhau thông qua âm thanh và không khí. Đo đạc hoặc mô phỏng dòng chảy quanh một ngôi sao đang quay là bước tiếp theo. Trong khi chờ đợi, hình dạng của một hạt đã trở thành một cách để lập trình cách nó quay.